公寓楼G1#外文翻译资料

4.2 Shear and Diagonal Tension in Reinforced Concrete Beam

Shear failure of reinforced concrete, more properly called diagonal failure, is more

dangerous than flexural failure because of its catastrophic nature.If a beam without properly designed shear reinforcement is overloaded to failure,shear collapse is likely to occur

Suddenly,with no advance warning of distress.This is in strong contrast with the nature of flexural failure. For moderate reinforced beam, flexural failure is initiated by gradual yielding of the

tension steel, accompanied by obvious cracking of the concrete and large deflection,

giving ample warning and providing the opportunity to take corrective measures.

Because of these differences in behavior, reinforced concrete beams are generally

provided with special shear reinforcement to ensure the flexural failure would occur

before shear failure if the member should be severely overloaded.

4.2.1 Formation of Diagonal Cracks due to Shear

In the case of simply supported beam subjected to two-points loading, the moment and shear distribution is such that the moment is constant in the mid span and in two side spans, shear force is constant. These two side spans are called ―shear span.For the elastic beam, the flexure stress sigma; , shear stress tau;, and the principal tensile stress sigma;₁ are determined according to the beam theory. Since concrete material is weak in tension, the magnitude and direction of principal tensile stresses are important. At the location of zero shear stress, i.e., the extreme tension fiber, the principal tensile stress takes the horizontal direction. At the point of zero normal stress, i.e., the neutral axis, the principal tensile stress is equal to shear stress, and its direction is 45 degrees with respect to the member axis.

As the principal tensile stress increases and exceeds the tensile strength of concrete,crack occurs in the direction perpendicular to the direction of principal tensile stress.

4.2.2 Reinforced Concrete without Shear Reinforcement

For a reinforced concrete without shear reinforcement, flexural crack is firstly formed in regions of large moments, and its direction is parallel to the member axis. The flexural tension strength can be furnished by the tension steel after the formation of tension cracks in the concrete. The longitudinal tension reinforcement has been so calculated and placed that it is chiefly effective in resisting longitudinal tension near the tension face. It does not reinforce the tensionally weak concrete against the diagonal tension stresses that occur elsewhere, caused by shear alone or by the combined effect of shear and flexure. Eventually, these stresses attain magnitudes sufficient to open additional tension cracks in a direction perpendicular to the local tension stress. They are known as diagonal cracks, in distinction to the vertical flexural cracks. Diagonal cracks occur in regions in which the shear forces are high. Three types of failure modes have been observed in the many tests of reinforced beams without shear reinforcement.The mode of failure is influenced by the shear span to effective depth ratio given by

Where a is the distance between the support and the nearest concentrated load.

(1) Diagonal tension failure. The diagonal crack, once formed, spread either immediately or at only slightly higher load, traversing the entire beam from the tension reinforcement to the compression face, splitting it into two and failing the beam. This process is sudden and without warning and occurs chiefly in the beams with shear span to effective depth ratio of about 3 or more.

1. Shear compression failure . The diagonal crack, once formed, spreads toward and partially into the compression zone but stops penetrating to the compression face.In this case no sudden collapse occurs,and the failure load may be significantly higher than that at which the diagonal cracks first formed. The stress state becomes like a compression arch formed by diagonal cracks.In this case the beam fails when this arch crushes under diagonal compression.This behavior is chiefly observed in the beams with shear span to effective depth ratio ranging from 1 to 3.

(3) Diagonal compression failure. For the case of so called deep beam, i.e., the shear span to effective depth ratio is very small (a/h0 lt; 1.0), the shear resisting mechanism is formed as a compression strut joining the loading and support points.

Since all of these failures are preceded by diagonal cracking of web concrete,so they are called as”shear failure”.

Figure4.14 shows portion of a beam in which a diagonal tension crack has formed.Considering the part of the beam to the left of the crack, shown in solid line, there is an external upward shear force v_ext acting on this portion.

Once a crack is formed, no tension force perpendicular to the crack can be transmitted across it. However, as long as the crack is narrow, it can still transmit force in its own plane through interlocking of the surface roughness.The aggregate interlock forces amounts to one-third and more of the shear force .The other internal forces are those in the uncracked portion of the concrete,Vcz,and those across the longitudinal steel, acting as a dowel ,Vd.

4.2.3 Reinforced Concrete with Web Reinforcement

Economy of design demands that a flexural member be capable of developing its full moment capacity rather than having its strength limited by premature shear failure. This is also desirable because structures, if overloaded, should not fail in a sudden and explosive manner,but should show adequate ductility and warning of impending distress.The latter is typical of flexural failure caused by the yielding of the longitudinal bars ,which is preceded by gradual

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4.2 钢筋混凝土梁中的剪切与斜拉现象

钢筋混凝土的剪切破坏，更恰当地称为斜截面的破坏，比受弯破坏更危险，因为其突发性的特性。如果一个梁没有适当的设计抗剪钢筋会使破坏更加严重，剪切破坏可能会突然发生，没有任何征兆。这与弯曲破坏的性状有非常强烈的对比。对于适筋粱，受弯破坏是由受拉钢筋逐渐屈服开始，伴随着明显的混凝土的开裂和变形，给予足够的警告并且提供了采取纠正措施的机会。由于这些不同的性状，如果钢筋混凝土梁要承担过重的荷载，一般都应设有特殊的抗剪措施以保证弯曲破坏会发生在剪切破坏之前。

4.2.1剪切斜裂缝的形成

简支梁在进行两点法加载的情况下，弯矩和剪力分布是这样的：弯矩在中跨和边跨部分是保持不变的，而剪切力一直都是恒定的。这两个边跨被称为剪跨。对于的弹性梁，弯曲应力sigma;，剪切应力tau;，和主拉应力sigma;₁是根据梁理论确定的。尽管混凝土材料承受拉力的能力较弱，但是主拉应力的大小和方向是很重要的。在剪切应力为零的位置，即完全受拉纤维一侧，主拉应力的方向是水平地。在靠近正应力为零的点，即中性轴处，主拉应力等于剪切应力，其方向是相对于构件轴线呈45度。

随着主拉应力的增加，超过了混凝土的抗拉强度，裂纹就会发生在垂直于主拉应力方向。

4.2.2无腹筋梁的斜截面受剪性能

对于钢筋混凝土无腹筋梁，弯曲裂纹首先在较大弯矩的区域形成，其方向平行于构件轴线。受拉钢筋的弯曲抗拉强度会在混凝土中的拉裂缝形成后达到。纵向受拉钢筋已计算和放置，它主要是在抗纵向张力附近的张力面有效。它并不能加强发生在其他不利地方的混凝土的斜拉应力，比如由剪切单独作用或者剪切和弯曲联合作用的地方。最终，这些应力达到的程度足以在垂直于局部拉应力方向形成附加张力裂纹。他们被称为斜裂缝，以区别于竖向弯曲裂缝。斜裂缝出现的区域中的剪切力高。三种类型的失效模式已经在许多无附筋梁的试验中得到观察。剪跨比是影响无腹筋梁破坏形态的最主要参数其计算公式如下

其中a是支座和最近的集中荷载之间的距离。

（1）斜拉破坏。斜裂缝一旦形成，就会立刻发展或者再仅仅受到稍微高一点的荷载，便会贯穿梁的整个受拉腹部和受压面，分裂成两部分梁即发生破坏。这个过程是突然的，没有预兆的，主要发生在剪跨比大于等于3的梁中。

1. 剪压破坏。斜裂缝一旦形成，便会延伸至部分受压区域但却不会贯穿整个受压面。在这种情况下，没有突然发生坍塌，且破坏荷载可能会显着高于在开始形成斜裂缝时的荷载。应力状态就像是一个由斜裂缝形成的受压的拱形。当这个拱在斜压的情况下压碎时，梁即破坏。这种现象主要是发生在剪跨比为1~3的梁中。
2. 斜压破坏。对于所谓的深梁，即剪跨比很小（a/ h₀ lt; 1.0），抗剪机理是作为一个压杆连接荷载和支撑点形成。

因为所有的这些破坏，都是通过腹部混凝土的斜裂缝发展的，所以它们被称为“剪切破坏”。

图4.14显示了一个形成斜拉裂缝的梁的一部分。考虑这是局部裂纹的梁的一部分，如实线所示，外部有一个向上的剪切力作用在支座处。

一旦形成裂纹，它就不能传递垂直于裂纹的张力。然而，只要裂缝是足够小的，它仍然可以通过表面粗糙度咬合来传递其自身平面内的力。骨料咬合力相当于剪切力的三分之一甚至更多。其他的内部力是在那些未开裂的混凝土内部，V_CZ，和那些在纵向钢筋周围，作为一个锚固销，V_d。

4.2.3钢筋混凝土的腹筋

设计的经济性要求受弯构件能够发挥其全部时刻的能力，而不是其强度受到过早剪切破坏的限制。但是前提是结构是合理的，如果超负荷，也不应该发生在一个突然性或者爆破般的现象中破坏，而是应该表现出足够的延性和即将发生破坏的征兆。后者是典型的由纵向钢筋屈服所引起的弯曲破坏，这在挠度逐渐增大和裂缝明显加宽的性状之前。因此，特殊的抗剪钢筋，称为腹筋，是用来增加强度的。

1、腹筋类型。

通常情况下，腹筋是以一种垂直箍筋的形式存在，以不同的间距沿着梁的轴线按规律排列，其间隔一般取决于实际需要。如图4.15所示。多肢箍如图所示4.15d有时是必要的。相对小的尺寸的箍筋的直径一般是6至12毫米。箍筋一般是为了适应位于底部的纵向受力钢筋并且呈弯钩状或弯曲到大约在顶部的纵向受力钢筋处以提高锚固和在施工期间提供支持。

另外，受剪的钢筋可能会有一部分纵向受力钢筋在不需要抵抗弯曲应力的地方向上弯曲提供。如图4.15e所示。在连续梁，这些弯筋也可以提供所需的全部或部分负弯矩钢筋的作用。纵向受弯钢筋的要求经常会与斜拉钢筋发生冲突，并且因为通过发挥受弯钢筋的能力来抵抗剪力并不利于节约钢材。大多数设计者喜欢包括垂直箍筋和纵向钢筋的向上弯曲来作为所有的抗剪钢筋，如果受弯钢筋被使用，只能是为增加对斜拉破坏整体的安全。

2、有腹筋梁受剪性能

在斜裂缝形成之前腹筋没有明显的影响。事实上，测量结果表明，在斜裂缝出现之前腹筋并不存在应力。斜裂缝形成之后，腹筋会通过四种不同方式来提高梁的受剪承载力：

（1）部分剪力是由贯穿某些特定裂缝的钢筋承担。

1. 这些钢筋的存在限制了斜裂缝的增长并且减少了向受压区的发展。这使得更多的未开裂的混凝土可用于抵抗裂缝的端部的剪压的联合作用。
2. 箍筋也控制了斜裂缝的扩展，使两个裂纹面保持密切联系。这使得一个显着的和可靠的联锁力。
3. 箍筋约束纵筋在混凝土主体部分抑制了混凝土沿着纵向钢筋的开裂，增加了剪切力通过销栓作用抵抗的分担。

箍筋开始屈服时破坏就即将发生。这不仅耗尽了本身的抵抗能力而且伴随着有益的抵抗作用的减少使得产生更宽的裂缝。在有抗剪钢筋的钢筋混凝土梁中的破坏模式和没有抗剪钢筋的梁中的相似。破坏模式与剪跨比和配箍率 Rho;sv有关

式中nAsv1为配置在同一截面内箍筋各肢的全部截面面积，Asv1为单支箍的截面面积；

n- 同一截面内箍筋肢数；

b -矩形截面的宽度，T形、I形截面的腹板宽度；

s - stirrup spacing箍筋间距。

1. 钢筋混凝土受剪承载力

由于腹筋对于不产生裂缝的梁没有什么作用，所以无腹筋梁和有腹筋梁中导致裂缝产生的剪力和应力的大小是相同的。通常情况下，腹筋包括垂直的箍筋。作用于裂缝和附近的支座之间的部分梁中的受力如图4.16所示。除了每个箍筋穿越裂缝对梁的给定部分施加一个力外其它部分和图4相同。这里Asv1是箍筋截面面积（以图4.15b中U型箍筋所示它是一支箍面积的两倍），F在箍中的拉伸应力。

由在垂直方向上的平衡知

（4.2.3）

V_SV = mA_svf_yv为箍筋中竖直方向的力，A_SV = nAsv1，与m穿越裂缝的箍筋数量。如图4.16所示，如果P是裂缝的水平投影，则m=p/s。P保守等于梁的有效深度，这意味着裂缝角度大于45°。

公式（4.2.3）中前三个内部剪切分量的总和是混凝土的剪切强度贡献（包括未破裂的混凝土，骨料互锁和销栓作用的贡献）与总剪切阻力的关系，并表示为Vc。 因此，含有箍筋的钢筋混凝土梁的剪切能力由下式所示

（4.2.4）

在实践中，抗剪设计是在只有一个或两个关键位置进行。需要采取的关键位置在支撑面，腹板宽度发生变化的地方，在受拉钢筋的弯曲的地方，或在箍筋间距变化的地方。

4、截面限制条件

当横梁用箍筋加固时，破坏是由于剪力钢筋屈服前压缩支柱中的混凝土局部破碎。 为了防止脆性的斜拉破坏，受剪切和力矩影响的钢筋混凝土梁的截面尺寸受到限制。

(4.2.7)

(4.2.8)

当4.0 lt;hw / h0 lt;6.0时，采用线性插值法

其中beta;c - - 高强度混凝土的强度折减因子。

5、最小的腹筋值

当梁中的箍筋不足以约束在形成第一个斜拉裂缝和箍筋屈服而产生裂缝和斜拉应力屈服时，要限制最小的配筋率。

6、纵向受力钢筋

箍筋不能抵抗剪切，除非它们被倾斜的裂缝穿过。 如果箍筋间距超过光束深度，45度裂纹可能会横过卷材而不与箍筋相交。 为了确保斜拉裂缝将通过至少一个桁架穿过，并且当箍筋的最大间距和最小直径受到限制时，减小斜拉裂缝宽度。

如果剪切力不大于Vc，则理论上不需要腹筋。即使在这种情况下，为了确保突发性故障不会发生在由意外过载引起的对角线张力裂纹的形成，GB 50010 -2002规定了箍筋所需的最大间距和最小直径

4.3 粘结、锚固、基本锚固长度

4.3.1 基本面弯曲粘结

如果图4.17a的钢筋混凝土梁采用圆形钢筋构造，此外，如果这些钢筋在混凝土浇铸之前进行了润滑或润滑，则梁的强度比仅用普通混凝土建造而不加固。如图4b.17所示，如果施加载荷，则梁将倾向于保持其原始长度，因为梁偏转，杆将相对于相邻的混凝土纵向滑动，因此粘结力必须在相互之间产生在混凝土和钢筋之间，例如防止在该界面处发生显著的滑动。

图4.17c示出了由于弯曲而在界面处作用在混凝土上的粘结力，而图4.17d显示了作用在钢筋上的相等和相反的粘结力。通过这些界面粘合力的作用，可以防止图4.7b所示的滑移。

几年前，当使用没有表面变形的普通钢筋时，仅通过钢和混凝土之间相对较弱的化学粘附和机械摩擦提供初始粘结强度，一旦在较大载荷下克服了粘结和静摩擦，则少量的滑移导致钢筋与混凝土的自然粗糙度互锁。然而，天然粘结强度如此之低，使得在用钢筋加固的梁中，钢筋和混凝土之间的粘结被频繁地破坏。当钢筋被拉过混凝土时，这种梁将会破坏。为了防止这种情况，提供了锚地，主要是以书的形式。如果锚地足够，这样的梁将不会倒塌，即使锚固体在锚固体之间的整个长度上断裂。这是因为，如图4.1所示，这个成员是一个连接的拱门，其中未破碎的混凝土显示为阴影，表示拱形，并且锚定的杆防止被绑扎。在这种情况下，在结合断裂的长度上，粘结力为零。这意味着在整个未粘合长度内，钢中的力是恒定的并且等于T = M_ / z。因此，这种梁中的总钢伸长率大于其中保持结合的梁，导致更大的挠曲和更大的裂纹宽度。

为了改善这种情况，现在普遍使用变形棒。使用这种杆，突肋的肩部承受周围的混凝土，并且大大增加了强度，因此在大多数情况下可以省略特殊的锚固装置例如钩。此外，裂纹宽度以及偏转减小。

4.3.2粘结强度和基本锚固长度

对于处于张力状态下的钢筋，已经观察到两种类型的钢筋破坏。第一个是钢筋的直接拔出，当周围的混凝土覆盖层厚度和条形间距提供充分的约束时，会发生此现象。第二种类型的破坏是当混凝土沿着钢筋分裂时，当限制或钢筋间距不足以抵抗由钢筋变形所产生的楔形作用产生的侧向混凝土张力时。现在的设计方法需要考虑以上两种可能的破坏模式。

1、粘结强度

如果钢筋被大量周围的混凝土充分限制，则随着钢筋上的拉力增加，粘合剂粘结和摩擦力被克服，混凝土最终在紧邻钢筋界面的肋骨之前部分地局部破碎，如图4.19和条拉出结果。周围的混凝土保持完好。对于现代变形的钢筋，附着力和摩擦力与围绕混凝土变形的机械互锁重要得多。

混凝土结构形成的结合失效比直接拔出更为常见。这种分裂主要形成楔形作用，当变形钢筋的肋骨抵靠混凝土时。它可能发生在垂直平面中，如图4.20a所示，或者在水平面上如图4.20b所示。横向分裂频繁地开始对角裂缝。榫钉动作增加了分裂的倾向。这表明剪切和粘结破坏往往是错综复杂的。

当抗拔阻力被克服或当分裂已经一直延伸到未锚定的条的末端时，完全发生破坏。相对于混凝土的滑动导致梁立即破坏。

2、基本锚固长度

基本锚固长度定义为通过拉出或分裂控制来产生钢筋的全拉伸强度所需的嵌入长度。当参考图4-21时，力矩（因此钢应力）在点a处（忽略梁的重量）为最大，在支撑处为零。如果钢筋应力是a，那么总的拉力A，a必须通过粘结力从棒材转移到距离l的混凝土中。为了充分发挥钢筋的强度，A，f，距离l必须至少等于通过拉出测试建立的钢筋的开发长度。在图4.21的梁中，如果实际长度c等于或大于基本锚固长度l，则不会发生过早接合故障。也就是说，梁将在弯曲或剪切中失效，而不是由于搭接失效。即使在裂缝附近，沿着梁的小区域也可能出现局部破坏。

可以看出，对钢筋的安全要求是这样的;钢筋的长度，从给定的钢应力（a，或最多f，）到其附近的自由端的任何点必须至少等于其基本锚固长度。但是，如果实际可用的长度不足以充分发展，则必须提供特殊的锚地，例如挂钩。

3、影响基本锚固长度的因素

实验研究确定了影响基本锚固长度的因素，测试数据的分析已经导致了本设计实践中使用的实验方程。最基本的因素包括混凝土抗拉强度，覆盖层厚度，钢筋间距和横钢筋的存在。

混凝土的拉伸强度是重要的，因为梁中最常见的粘结破坏类型是图4.20所示的分裂类型。基本锚固长度si与混凝土的轴向拉伸强度成反比，f，但与混凝土的立方体抗压强度成反比，f。

覆盖厚度也会明显影响分裂，如果水平或垂直覆盖层增加，则混凝土可以抵抗由变形钢筋的楔形作用产生的张力，耐分裂性能提高，基本锚固长度较小。

类似地，图4.20b示出了钢筋间距增加（例如，如果仅使用两个而不是三个），则每个钢筋更具体地可用于抵抗水平分裂。在梁中，钢筋通常间隔为一倍或者两倍钢筋直径。另一方面，对于板，基础等某

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